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Laut einer neuen Studie von Forschern der University of California, Berkeley und der Northwestern University können die eigentümlichen Umlaufbahnen von drei Planeten, die sich um einen weit entfernten Stern drehen, nur erklärt werden, wenn ein unsichtbarer vierter Planet durch sie stürzt und sie aus ihren kreisförmigen Umlaufbahnen stößt.
Die Schlussfolgerung basiert auf Computer-Extrapolationen aus 13 Jahren Beobachtung von Planetenbewegungen um den Stern Upsilon Andromedae. Dies deutet darauf hin, dass die nicht kreisförmigen und oft stark elliptischen Bahnen vieler der bisher entdeckten extrasolaren Planeten das Ergebnis von Planeten sein können, die sich gegenseitig zerstreuen. In einem solchen Szenario könnte der störende Planet vollständig aus dem System herausgeschossen oder in eine weit entfernte Umlaufbahn getreten werden, wodurch die inneren Planeten mit exzentrischen Umlaufbahnen zurückbleiben.
"Dies ist wahrscheinlich eines der zwei oder drei extrasolaren Systeme, die die besten Beobachtungen und engsten Einschränkungen aufweisen, und es erzählt eine einzigartige Geschichte", sagte Eric Ford, ein Postdoktorand von Miller an der UC Berkeley. "Unsere Erklärung ist, dass die ursprüngliche Umlaufbahn des äußeren Planeten kreisförmig war, aber es gab diesen plötzlichen Tritt, der seine Umlaufbahn dauerhaft in eine hochexzentrische umwandelte. Um diesen Kick zu erzielen, haben wir angenommen, dass es einen zusätzlichen Planeten gibt, den wir jetzt nicht sehen. Wir glauben, dass wir jetzt verstehen, wie dieses System funktioniert. “
Wenn ein solcher Planet zu Beginn seiner Geschichte durch unser Sonnensystem geschleudert worden wäre, hätten die inneren Planeten möglicherweise keine so schönen Kreisbahnen, und nach den gegenwärtigen Annahmen über die Ursprünge des Lebens könnte das Erdklima zu stark schwanken damit das Leben entstanden ist.
"Während die Planeten in unserem Sonnensystem Milliarden von Jahren stabil bleiben, war dies bei den Planeten, die Upsilon Andromedae umkreisen, nicht der Fall", sagte Ford. "Während sich diese Planeten ähnlich wie Jupiter und Saturn gebildet haben könnten, wurden ihre aktuellen Umlaufbahnen durch eine späte Phase chaotischer und gewalttätiger Interaktionen geformt."
Fords Kollege Frederic A. Rasio, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie am Nordwesten, erklärt: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass ein einfacher Mechanismus, der oft als‚ Planet-Planet-Streuung 'bezeichnet wird - eine Art Schleudereffekt aufgrund der plötzlichen Anziehungskraft zwischen zwei Planeten, wenn sie sich sehr nahe kommen - müssen für die hochexzentrischen Umlaufbahnen verantwortlich sein, die im Upsilon Andromedae-System beobachtet werden. Wir glauben, dass Planet-Planet-Streuung häufig in extrasolaren Planetensystemen auftrat, nicht nur in diesem, was auf starke Instabilitäten zurückzuführen ist. Während Planetensysteme um andere Sterne häufig vorkommen, sind die Arten von Systemen, die das Leben unterstützen könnten und wie unser Sonnensystem vermutlich über sehr lange Zeiträume stabil bleiben müssen, möglicherweise nicht so häufig. “
Die Computersimulationen werden in der Ausgabe vom 14. April der Zeitschrift Nature von Ford, Rasio und Verene Lystad berichtet, einer Studentin mit Schwerpunkt Physik im Nordwesten. Ford war ein Student von Rasio am Massachusetts Institute of Technology, bevor er ein Studium an der Princeton University absolvierte und 2004 an der UC Berkeley ankam.
Das Planetensystem um Upsilon Andromedae ist eines der am besten untersuchten der 160 Systeme, deren Planeten bisher außerhalb unseres eigenen Sonnensystems entdeckt wurden. Der innere Planet, ein „heißer Jupiter“, der dem Stern so nahe ist, dass seine Umlaufbahn nur wenige Tage beträgt, wurde 1996 von Geoff Marcy von der UC Berkeley und seinem Planetenjagdteam entdeckt. Die beiden äußeren Planeten mit langgestreckten Bahnen, die sich gegenseitig stark stören, wurden 1999 entdeckt. Diese drei riesigen, Jupiter-ähnlichen Planeten um Upsilon Andromedae bildeten das erste durch Doppler-Spektroskopie entdeckte extrasolare Mehrplanetensystem.
Aufgrund der ungewöhnlichen Natur der Planetenbahnen um Upsilon Andromedae haben Marcy und sein Team sie intensiv untersucht und fast 500 Beobachtungen gemacht - zehnmal mehr als bei den meisten anderen gefundenen extrasolaren Planeten. Diese Beobachtungen, das Wackeln in der Bewegung des Sterns, das durch die umlaufenden Planeten induziert wird, ermöglichen eine sehr genaue Aufzeichnung der Bewegungen der Planeten um den Stern.
"Die Beobachtungen sind so präzise, dass wir beobachten und vorhersagen können, was in Zukunft für Zehntausende von Jahren passieren wird", sagte Ford.
Während sich der innerste Planet heute in der Nähe des Sterns befindet, kreisen die beiden äußeren Planeten in eiförmigen Bahnen. Computersimulationen vergangener und zukünftiger Orbitalveränderungen zeigten jedoch, dass die äußeren Planeten sich auf einen sich wiederholenden Tanz einlassen, der alle 7.000 Jahre die Umlaufbahn des mittleren Planeten auf einen Kreis bringt.
"Diese Eigenschaft, in eine sehr kreisförmige Umlaufbahn zurückzukehren, ist bemerkenswert und kommt im Allgemeinen nicht vor", sagte Ford. „Die natürliche Erklärung ist, dass sie sich beide einmal in kreisförmigen Bahnen befanden und man einen großen Tritt bekam, der dazu führte, dass es exzentrisch wurde. Dann führte die nachfolgende Entwicklung dazu, dass der andere Planet seine Exzentrizität vergrößerte, aber aufgrund der Erhaltung von Energie und Drehimpuls kehrt er periodisch in eine nahezu kreisförmige Umlaufbahn zurück. “
Zuvor hatten Astronomen zwei mögliche Szenarien für die Bildung des Planetensystems von Upsilon Andromedae vorgeschlagen, aber die Beobachtungsdaten reichten noch nicht aus, um die beiden Modelle zu unterscheiden. Ein anderer Astronom, Renu Malhotra von der Universität von Arizona, hatte zuvor vorgeschlagen, dass die Streuung von Planeten zu Planeten die Exzentrizitäten in Upsilon Andromedae erregt haben könnte. Eine alternative Erklärung behauptete jedoch, dass Wechselwirkungen zwischen den Planeten und einer den Stern umgebenden Gasscheibe auch solche exzentrischen Bahnen erzeugt haben könnten. Durch die Kombination zusätzlicher Beobachtungsdaten mit neuen Computermodellen konnten Ford und seine Kollegen zeigen, dass Wechselwirkungen mit einer Gasscheibe nicht die beobachteten Umlaufbahnen erzeugt hätten, sondern dass Wechselwirkungen mit einem anderen Planeten diese natürlich hervorrufen würden.
„Das Hauptunterscheidungsmerkmal zwischen diesen Theorien war, dass Wechselwirkungen mit einer äußeren Scheibe dazu führen würden, dass sich die Umlaufbahnen sehr langsam ändern, und dass eine starke Wechselwirkung mit einem vorbeiziehenden Planeten dazu führen würde, dass sich die Umlaufbahnen im Vergleich zur 7.000-Jahres-Zeitskala für die sehr schnell ändern Umlaufbahnen, um sich zu entwickeln “, sagte Ford. "Da die beiden Hypothesen unterschiedliche Vorhersagen für die Entwicklung des Systems treffen, können wir die Geschichte des Systems auf der Grundlage der aktuellen Planetenbahnen einschränken."
Ford sagte, als sich die Planeten in einer Scheibe aus Gas und Staub bildeten, hätte der Widerstand auf den Planeten ihre Umlaufbahnen kreisförmig gehalten. Sobald sich Staub und Gas aufgelöst hatten, konnte jedoch nur eine Wechselwirkung mit einem vorbeiziehenden Planeten die besonderen Umlaufbahnen der beiden heute beobachteten äußeren Planeten erzeugen. Vielleicht, bemerkte er, wurde der störende Planet durch Wechselwirkungen mit anderen Planeten weit vom Zentralstern in die inneren Planeten gestoßen.
Wie auch immer es begann, die daraus resultierenden chaotischen Wechselwirkungen hätten eine sehr exzentrische Umlaufbahn für den dritten Planeten geschaffen, die dann auch allmählich die Umlaufbahn des zweiten Planeten störte. Da der äußere Planet das System dominiert, störte er im Laufe der Zeit die Umlaufbahn des mittleren Planeten so stark, dass er sich ebenfalls langsam in eine exzentrische Umlaufbahn verformte, was heute zu sehen ist, obwohl der mittlere Planet etwa alle 7.000 Jahre allmählich zu einem Kreis zurückkehrt Orbit.
"Dies macht das System so eigenartig", sagte Rasio. „Normalerweise würde die Gravitationskopplung zwischen zwei elliptischen Bahnen niemals dazu führen, dass man zu einem nahezu perfekten Kreis zurückkehrt. Ein Kreis ist etwas ganz Besonderes. “
"Ursprünglich bestand das Hauptziel unserer Forschung darin, das Planetensystem Upsilon Andromedae zu simulieren, im Wesentlichen um festzustellen, ob die beiden äußeren Planeten in derselben Ebene liegen wie die Planeten im Sonnensystem", sagte Lystad, der mit Rasio zusammenarbeitete Als sie im zweiten Jahr war und viele Computerintegrationen im Rahmen ihrer Abschlussarbeit durchführte. „Wir waren überrascht, dass es für viele unserer Simulationen schwierig war zu sagen, ob sich die Planeten in derselben Ebene befanden, da die Umlaufbahn des mittleren Planeten periodisch so nahezu kreisförmig wurde. Als wir bemerkten, dass dieses seltsame Verhalten in all unseren Simulationen vorhanden war, erkannten wir es als Kennzeichen eines Systems, das Planet-Planet-Streuung erfahren hatte. Wir haben festgestellt, dass etwas viel Interessanteres los ist, als irgendjemand zuvor gefunden hat. “
Das Verständnis der Ereignisse während der Entstehung und Entwicklung von Upsilon Andromedae und anderen extrasolaren Planetensystemen hat erhebliche Auswirkungen auf unser eigenes Sonnensystem.
"Sobald Sie feststellen, dass die meisten bekannten extrasolaren Planeten stark exzentrische Umlaufbahnen haben (wie die Planeten in Upsilon Andromedae), fragen Sie sich, ob unser Sonnensystem etwas Besonderes sein könnte", sagte Ford. „Könnte gewalttätige Planet-Planet-Streuung so häufig sein, dass nur wenige Planetensysteme ruhig und bewohnbar bleiben? Glücklicherweise machen Astronomen - angeführt von Geoff Marcy, Professor für Astronomie an der UC Berkeley - fleißig die Beobachtungen, die diese aufregende Frage letztendlich beantworten werden. “
Die Forschung wurde von der National Science Foundation und dem Miller Institute for Basic Research der UC Berkeley unterstützt.
Originalquelle: Berkeley Pressemitteilung
